Low energy calibration, continuous monitoring, and background studies for the next-white detector at the lSC

Resumen

Los neutrinos han sido una puerta a grandes cambios en los paradigmas del entendimiento de la naturaleza, y aún tienen preguntas que responder en las próximas décadas. El descubrimiento de la oscilación de neutrinos implica que éstos son partículas con masa. Esta masa plantea la cuestión de su origen, es decir, si son fermiones de Dirac o de Majorana. La potencial naturaleza de Majorana puede arrojar luz en temas abiertos, como la baja escala de masas de los neutrinos con respecto a los demás fermiones, así como la asimetría entre materia y antimateria observada actualmente en el universo. De entre todas las posibles formas de discernir la naturaleza última de los neutrinos, la más madura y desarrollada tecnológicamente es la búsqueda de la desintegración doble beta sin neutrinos. Este hecho ha motivado una profunda actividad que ha ido gradualmente bajando los límites para el proceso en diferentes acercamientos de I+D. Es más, el campo se encuentra en la actualidad en los albores de la llegada de la nueva generación de experimentos, con el objetivo de conseguir una tonelada de masa. El experimento NEXT tiene el objetivo de encontrar dicha desintegración en el isótopo 136Xe. La propuesta de NEXT se basa en una TPC (cámara de proyección temporal, por sus siglas en inglés) óptica de gas a alta presión. A mayores, se ha desarrollado una nueva técnica de detección, llamada SOFT, que consiste en la separación de la medida de la energía y la topología de los eventos en dos planos independientes. El proyecto se fundamenta en una sólida trayectoria de I+D que ha probado algunos de los retos principales relacionados con la prueba del concepto, la excelente resolución en energía, el modelo de fondo y las posibilidades de reconstrucción topológica. La parte central del presente trabajo se encuadra en el detector NEXT-White, localizado en el Laboratorio Subterráneo de Canfranc. Sus objetivos principales son la validación del concepto en un detector de grandes dimensiones, la comprobación del modelo de fondo y la medida de la vida media de la desintegración doble beta con neutrinos. El monitoreo del detector emplea la transición interna del 83mKr como medio para realizar las correcciones de geometría y lifetime, además de comprobar de forma continua las condiciones de la cámara durante su tiempo de operación (2017-2021). Ésta ha mostrado una excelente estabilidad y unas condiciones óptimas a lo largo de la toma de datos. A mayores, los mapas de energía son invariantes durante todo el funcionamiento del detector. Sin embargo, los mapas de lifetime sí muestran cierta variación en el tiempo, que ha sido correlacionada con cambios en el flujo del gas dentro de la cámara. Las operaciones de bajo fondo en NEXT-White son un aspecto fundamental del éxito del programa. Después de una detallada caracterización de las desintegraciones alfa en el detector, la tasa medida es usada para realizar una simulación del impacto del radón en la siguiente fase de la colaboración, NEXT-100. Los resultados sugieren que los fondos esperados por este tipo de fondo se encontrarían, al menos, un orden de magnitud por debajo de los esperados por la fuente dominante, y seguramente aún más despreciable. Con respecto a los fondos radiogénicos, la tasa medida resulta ser de 0.84(2) mHz. Un ajuste al modelo de fondo permite extraer más información acerca de los isótopos implicados y su distribución espacial. Con estos resultados, se ha estimado una significancia a la señal doble beta con neutrinos entre 3.5(6) y 5.1(4) sigmas tras un año de toma de datos, dependiendo de la extrapolación, en consonancia con el valor de significancia medido. Además, el modelo de fondo ha sido validado incluso en el estrecho rango de energía de la desintegración doble beta sin neutrinos.